(57)【要約】  【課題】  クラッド部と光導波部との熱的特性や複屈折性が一致して、光導波部の厚みを制御性良くコントロール可能で、しかも安価に形成できる光導波路を得る。  【解決手段】  クラッド部12、16を有機ポリマーから形成し、その有機ポリマーと同じ組成の有機ポリマーから光導波部13を形成する。そして光導波部13を形成する有機ポリマーには、それより屈折率が高い光透過性の微粒子を含有させることにより、該光導波部13の屈折率をクラッド部12、16の屈折率よりも高くする。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機ポリマーからなるクラッド部と、
前記有機ポリマーと同じ組成の有機ポリマーに、それよりも屈折率が高い光透過性の微粒子を含有させることにより前記クラッド部よりも高屈折率とされた光導波部とからなる光導波路。
【請求項２】
前記有機ポリマーがフッ素化ポリイミドであることを特徴とする請求項１記載の光導波路。
【請求項３】
前記微粒子が、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２あるいはＣｅＯ２からなることを特徴とする請求項１または２記載の光導波路。
【請求項４】
前記微粒子が、粒径が５０ｎｍ以下のものであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光導波路。
【請求項５】
前記有機ポリマーとして熱光学効果を示す材料が用いられ、
前記光導波部として、それぞれが有する所定長さの乗り移り部が互いに近接する状態に配置された２本のチャンネル状光導波部が形成され、
前記乗り移り部の少なくとも一方を加熱する手段が設けられたことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の光導波路。
【請求項６】
前記有機ポリマーとして熱光学効果を示す材料が用いられ、
前記光導波部として、１本の光入力端部と、１本の光出力端部と、これら光入力端部と光出力端部との間で２系統に別れている部分とからなるチャンネル状光導波部が形成され、
前記２系統に別れている部分の少なくとも一方を加熱する手段が設けられたことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の光導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光導波路に関し、特に詳細には、クラッド部および光導波部が有機ポリマーから形成された光導波路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光導波部をそれよりも低屈折率のクラッド部で覆ってなる光導波路が種々提供されている。このような光導波路の形態としては、基板上にクラッド部およびチャンネル状光導波部が形成された構造のものや、基板上にクラッド部およびスラブ状光導波部が形成された構造のものや、光導波部が円柱形のコアとして形成されてなる光ファイバー等が挙げられる。
【０００３】
光導波路を構成する一般的な材料としては、従来、ガラス、半導体および有機ポリマー（プラスチック）が知られている。これらの中で有機ポリマー材料は、価格が安い、光導波路形成が容易、大面積の光導波路を得やすい等の利点があり、特に好ましい光導波路材料として期待されている。この種の有機ポリマー材料として具体的には、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート、ポリスチレン、エポキシ樹脂、ポリイミドなどが検討、適用されている。中でも、フッ素を含有するフッ素化ポリイミドは、ポリイミドが本来持っている優れた耐熱性、低い熱膨張率などの特徴に加えて、フッ素原子の導入により、吸水率の低下、広い波長範囲に対応可能、特に近赤外領域での光透過性に優れる、屈折率の制御が容易などの効果が生じ、これからの光導波路材料として有望視されている。なお特許文献１には、このフッ素化ポリイミドを用いた光導波路の例が記載されている。
【０００４】
また、例えば特許文献２に記載されているように、フッ素化ポリイミドを材料として光導波路を作製する場合、クラッド部と光導波部とを互いに組成の異なるフッ素化ポリイミドから形成することにより、クラッド部と光導波部（コア）との屈折率差を制御して、低光損失の光導波路が形成できることも知られている。
【０００５】
また、例えば特許文献３および４に記載されているように、同様にフッ素化ポリイミドを材料として光導波路を作製する場合、電子線照射によりクラッド部と光導波部との屈折率差を制御する方法も知られている。つまりその方法においては、フッ素化ポリイミドからなるクラッド部において、光導波部とする部分に電子線を照射することによりその部分の屈折率が周りの部分より高くなるので、その部分が光導波部とされる。
【特許文献１】特開平4-328504号公報
【特許文献２】特許第2813713号公報
【特許文献３】特許第3327356号公報
【特許文献４】特許第3335275号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献２に示されるように、クラッド部と光導波部とに互いに組成の異なるフッ素化ポリイミドを用いる場合は、クラッド部と光導波部との熱的特性や複屈折性が互いに異なる等、光導波路の特性劣化につながる問題が生じる。
【０００７】
一方、上記特許文献３および４に示されるように光導波部を電子線照射によって形成する場合、上記の問題は生じないが、その反面、高価な電子線描画装置が必要になって光導波路作製のコストが高くなる、光導波部の厚みを制御性良くコントロールするのが難しい、といった問題が認められる。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、クラッド部と光導波部との熱的特性や複屈折性が一致し、また光導波部の厚みを制御性良くコントロール可能で、しかも安価に形成され得る光導波路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による光導波路は、クラッド部と光導波部とを互いに同じ組成の有機ポリマーから形成し、それらの一方に光透過性の微粒子を含有させて該両部に屈折率差を持たせるようにしたものである。
【００１０】
すなわち、より具体的に本発明による光導波路は、有機ポリマーからなるクラッド部と、前記有機ポリマーと同じ組成の有機ポリマーに、それよりも屈折率が高い光透過性の微粒子を含有させることにより前記クラッド部よりも高屈折率とされた光導波部とからなるものである。なお上記の「光透過性」とは、導波させる対象の光を良好に透過させることを意味する。
【００１１】
なお上記クラッド部および光導波部を構成する有機ポリマーとしては、先に説明したフッ素化ポリイミドを特に好適に用いることができる。しかしそれに限らず、ポリメチルメタクリレート、シリコーン、エポキシ、ポリシクロプテン等の材料を用いることも可能である。
【００１２】
また、光導波部に含有させる光透過性の微粒子としては、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２あるいはＣｅＯ２等の微粒子を用いることが望ましい。そしてそのような微粒子としては、粒径が５０ｎｍ以下のものが好ましい。
【００１３】
また、本発明の光導波路の一つの好ましい形態においては、有機ポリマーとして熱光学効果を示す材料が用いられ、光導波部として、それぞれが有する所定長さの乗り移り部が互いに近接する状態に配置された２本のチャンネル状光導波部が形成された上で、上記乗り移り部の少なくとも一方を加熱する手段が設けられる。
【００１４】
また、本発明の光導波路の別の好ましい形態においては、同じく有機ポリマーとして熱光学効果を示す材料が用いられ、光導波部として、１本の光入力端部と、１本の光出力端部と、これら光入力端部と光出力端部との間で２系統に別れている部分とからなるチャンネル状光導波部が形成された上で、上記２系統に別れている部分の少なくとも一方を加熱する手段が設けられる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による光導波路は、クラッド部と光導波部とを互いに同じ組成の有機ポリマーから形成してなるものであるから、クラッド部と光導波部との熱的特性や複屈折性は当然一致し、したがって、それらの不一致により光導波路の特性劣化を招くことがない。
【００１６】
また本発明による光導波路は、光透過性の微粒子によって光導波部とクラッド部との屈折率差を作り出すものであるから、この屈折率差を得るために電子線照射で光導波部が形成されるものと異なり、作製のために電子線描画装置等が必要になってコストが高くなることもないし、また、光導波部の厚みも制御性良くコントロール可能となる。
【００１７】
そして、クラッド部および光導波部を構成する有機ポリマーとして、特に前述のフッ素化ポリイミド等の熱光学効果を有する材料を用いた場合には、光導波部を加熱することによってその屈折率を変化させることができるので、光導波部の屈折率を変化させて光スイッチングや光変調を行う光機能性素子を容易に作製可能となる。
【００１８】
また、本発明の光導波路において、有機ポリマーとして熱光学効果を示す材料が用いられ、光導波部として、それぞれが有する所定長さの乗り移り部が互いに近接する状態に配置された２本のチャンネル状光導波部が形成された上で、上記乗り移り部の少なくとも一方を加熱する手段が設けられた場合は、この加熱の有無あるいは程度に応じて、加熱対象部分のチャンネル状光導波部の温度を変化させることができる。それにより、該加熱対象部分のチャンネル状光導波部の屈折率が熱光学効果によって変化するので、乗り移り部における導波光の乗り移りを制御して、光スイッチングや光変調を行う素子を構成できる。
【００１９】
また、本発明の光導波路において、有機ポリマーとして熱光学効果を示す材料が用いられ、光導波部とし、１本の光入力端部と、１本の光出力端部と、これら光入力端部と光出力端部との間で２系統に別れている部分とからなるチャンネル状光導波部が形成された上で、上記２系統に別れている部分の少なくとも一方を加熱する手段が設けられた場合は、この加熱の有無あるいは程度に応じて、加熱対象部分のチャンネル状光導波部の温度を変化させることができる。それにより、該加熱対象部分のチャンネル状光導波部の屈折率が熱光学効果によって変化するので、そこを導波する導波光の位相を変化させて、該２系統に別れている部分を導波してから１本の光出力端部で合波する導波光同士の干渉状態を変えることができる。そこで、上記加熱の有無あるいは程度に応じて上記干渉状態を互いに強め合うように、あるいは弱め合うように変化させて光変調を行う素子を構成可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施の形態による光導波路10を作製する工程を順を追って示すものであり、また図２はその平面形状を示すものである。最初に図１を参照して、該光導波路10の作製工程について説明する。
【００２２】
まず同図（１）に示すように、例えばＳｉあるいはガラスからなる基板11上に、下部クラッド層12を形成する。この下部クラッド層12は、一例としてフッ素化ポリイミド前駆体を含有した溶液をスピンコート法により塗布し、それを加熱硬化させて形成する。
【００２３】
次に同図（２）に示すように、下部クラッド層12を形成したものと同じ組成のフッ素化ポリイミド前駆体に、例えば光透過性のＴｉＯ２の微粒子(粒径２０μｍ程度)を０．３体積％程度添加した溶液を塗布し、それを加熱硬化させてコア層13を形成する。
【００２４】
次に同図（３）に示すようにコア層13の上にレジスト14を塗布した後、その上に同図（４）に示すようにフォトマスク15を配置する。そしてこのフォトマスク15を用いるフォトリソグラフィー技術によりレジストをパターニングする通常のリアクティブイオンエッチングにより、同図（５）に示すようにコア層13およびレジスト14を、紙面に垂直な方向に延びるストライプ状部分だけが中央部に残るように除去する。
【００２５】
次いで同図（６）に示すようにレジスト14を除去し、その上にスピンコート法により上記のものと同じ組成のフッ素化ポリイミド前駆体を含有した溶液を塗布し、それを加熱硬化させて、同図（７）に示すように上部クラッド層16を形成する。
【００２６】
以上の工程により、下部クラッド層12および上部クラッド層16と、それらに囲まれてチャンネル状に延びる光導波部としてのコア層13とを備えてなる光導波路10が形成される。なお該光導波路10の平面形状を図２に示す。この光導波路10において、フッ素化ポリイミドからなる下部クラッド層12および上部クラッド層16の屈折率は１．５５２である。一方、コア層13も基本的にフッ素化ポリイミドからなるが、屈折率が２．６程度のＴｉＯ２の微粒子が添加されたことにより、該コア層13の屈折率は下部クラッド層12および上部クラッド層16よりも高い１．５５７となっている。そこで、コア層13の一端面側から光が入射されると、その光は該コア層13と下部クラッド層12あるいは上部クラッド層16との界面で全反射を繰り返しながら、コア層13内を伝搬することができる。
【００２７】
なお基板11の材料としては、前述のＳｉあるいはガラスの他に、フッ素化ポリイミド基板等の樹脂基板を用いてもよい。
【００２８】
またクラッド層12、16およびコア層13を構成する有機ポリマーも、上記フッ素化ポリイミドに限らず、ポリメチルメタクリレート、シリコーン、エポキシ、ポリシクロプテン等のその他の材料を適宜用いることができる。そのような材料を用いる場合も、上記と同様の加工方法によって光導波路を形成可能である。さらに、光導波路を形成するには、上記の加工方法に限らず、スタンピングやエンボシング等のその他の成形加工技術を用いることも可能である。
【００２９】
一方、コア層13を構成する有機ポリマーに添加する微粒子は、ＴｉＯ２に限らず、その他ＺｒＯ２やＣｅＯ２等からなる光透過性の微粒子も好適に用いることができる。またその微粒子材料の屈折率は、母体となるその有機ポリマーの屈折率より０．５程度大きいことが望ましい。またその微粒子の粒径は、あまり大きいと光を散乱させる原因になるので、可視域の光を導波させることを前提にすれば、一般には５０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍであることが望ましい。
【００３０】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３は、本発明の第２の実施の形態による光導波路20の平面形状を示すものであり、また図４および図５はそれぞれ、図３のＤ４−Ｄ４線、Ｄ５−Ｄ５線に沿った断面の形状を示すものである。なおこれらの図において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。
【００３１】
本実施の形態の光導波路20は、チャンネル状のコア層（光導波部）13がＹ字型に形成されてなる、いわゆるＹ分岐光導波路である。このような光導波路20も、コア層13のパターンが異なるだけで、前記第１の実施の形態におけるのと同様の加工方法によって形成可能である。
【００３２】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図６は、本発明の第３の実施の形態による光導波路30の概略平面形状を示すものであり、また図７および図８はそれぞれ、図６のＤ７−Ｄ７線、Ｄ８−Ｄ８線に沿った断面の概略形状を示すものである。
【００３３】
本実施の形態の光導波路30は、いわゆる方向性結合器型光スイッチを構成するものであり、光導波部として２本のチャンネル状のコア層13、13を有している。それらのコア層13、13は、長さＬの乗り移り部において、互いに導波光の波長程度の微小距離を置いて近接する状態に配置されている。そして上部クラッド層16の上には、片方のコア層13の上記乗り移り部を加熱するヒータ31が形成されている。なお乗り移り部の長さＬは、一方のコア層13を導波する光が、他方のコア層13に移行し得る所定長さに設定されている。
【００３４】
本実施の形態においては、上記一方のコア層13を加熱すると、熱光学効果によってその屈折率が変化する。したがって、ヒータ31による加熱温度を制御することにより、該一方のコア層13を導波して来た光が他方のコア層13に移行する状態と、移行しないで該一方のコア層13を導波し続ける状態とを選択的に作り出すことができる。そこで、例えば図中上側のコア層13に左端側から光を入力させるものとすると、ヒータ31による加熱温度を制御することにより、図中上側のコア層13の出力端（右端）から光が出射する状態と、図中下側のコア層13の出力端（右端）から光が出射する状態とを切り換えることができる。
【００３５】
この光導波路素子は、上述のように光スイッチとして使用する他、一方のコア層13について考えれば、ヒータ31による加熱温度を制御することにより、その出力端からの光出射をON、OFFできるので、光変調器として使用することも可能である。
【００３６】
なお本実施の形態ではコア層13、13の一方のみを加熱するようにしているが、互いに加熱の程度を変えてそれらの双方を加熱するようにしても構わない。
【００３７】
また本実施の形態の光導波路30においても、下部クラッド層12および上部クラッド層16並びにコア層13は、前記第１の実施の形態におけるのと同様の加工方法によって形成可能である。
【００３８】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図９は、本発明の第４の実施の形態による光導波路40の概略平面形状を示すものであり、また図１０および図１１はそれぞれ、図９のＤ１０−Ｄ１０線、Ｄ１１−Ｄ１１線に沿った断面の概略形状を示すものである。
【００３９】
本実施の形態の光導波路40は、いわゆるマッハツェンダー型光変調器を構成するものであり、光導波部としてチャンネル状のコア層13を有している。このコア層13は、光が入力される１本の光入力端部13ａと、１本の光出力端部13ｂと、これら光入力端部13ａと光出力端部13ｂとの間で２系統に別れている部分13ｃおよび13ｄとからなる。そして上部クラッド層16の上には、上記一方の部分13ｃを加熱するヒータ41が形成されている。
【００４０】
本実施の形態においては、ヒータ41によってコア層13の上記部分13ｃを加熱すると、熱光学効果によってその屈折率が変化する。こうして該部分13ｃの屈折率が変わると、そこを導波する光の位相が変化する。２系統に別れている部分13ｃおよび13ｄの長さは、光入力端部13ａから入力されて該部分13ｃおよび13ｄを導波した光が光出力端部13ｂで合波する際に、一方の部分13ｃの温度が所定温度Ｔ1 のときは干渉して打ち消し合い、また該温度が所定温度Ｔ2 （Ｔ1 ≠Ｔ2 ）のときは干渉して強め合う長さに設定されている。
【００４１】
そこで、変調させる光を光入力端部13ａから入力して上記部分13ｃおよび13ｄを導波させ、ヒータ41の駆動を制御して上記部分13ｃの温度をＴ1 、Ｔ2 の一方に選択的に設定することにより、光出力端部13ｂから出射する光をON、OFF変調することができる。
【００４２】
なお本実施の形態ではコア層13の２系統に別れている部分13ｃおよび13ｄの一方のみを加熱するようにしているが、互いに加熱の程度を変えてそれらの双方を加熱するようにしても構わない。
【００４３】
また本実施の形態の光導波路40においても、下部クラッド層12および上部クラッド層16並びにコア層13は、前記第１の実施の形態におけるのと同様の加工方法によって形成可能である。
【００４４】
以上、光スイッチや光変調器を構成する実施の形態について説明したが、本発明による光導波路はそれに限らず、１×Ｎスプリッタやアレイ導波路型合分波器等のその他のプレーナ光波回路を構成することも可能である。
【００４５】
また本発明の光導波路は、チャンネル状の光導波部からなるものに限らず、スラブ状の光導波部を備えたものや、光ファイバーとして構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施形態による光導波路を作製する工程を説明する概略図
【図２】上記光導波路の概略平面図
【図３】本発明の第２の実施形態による光導波路を示す概略平面図
【図４】図３の光導波路の一部分を示す概略立断面図
【図５】図３の光導波路の他の部分を示す概略立断面図
【図６】本発明の第３の実施形態による光導波路を示す概略平面図
【図７】図６の光導波路の一部分を示す概略立断面図
【図８】図６の光導波路の他の部分を示す概略立断面図
【図９】本発明の第４の実施形態による光導波路を示す概略平面図
【図１０】図９の光導波路の一部分を示す概略立断面図
【図１１】図９の光導波路の他の部分を示す概略立断面図
【符号の説明】
【００４７】
10、20、30、40    光導波路
11    基板
12    下部クラッド層
13    コア層
16    上部クラッド層
31、41    ヒータ
【図１】
2005121696.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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